SNCR脱硝技术的化学工艺应用研究

吉文志

摘要：本文介绍了以尿素作为还原剂的SNCR脱硝技术应用研究以及脱硝设备。文章以循环流化床锅炉烟气SNCR脱硝工程为例，从系统设计、工艺流程等方面对SNCR脱硝技术进行介绍， 为老厂中小型旧锅炉脱销改造提供有利的借鉴。

关键词：脱硝；SNCR；尿素；电厂

1 前言

随着全球经济的高速发展，煤炭、石油的开发利用已经给环境带来了严重的污染，特别是燃煤电厂锅炉排放的大量硫氧化物和氮氧化物加剧了大气环境恶化。其中氮氧化物（NOx）是引起温室效应、酸雨及臭氧层破坏的根由物之一， 是硝酸型酸雨的基础， 又是形成光化学烟雾的主要物质， 具有很强的毒性， 对人类健康、环境、生态及社会经济破坏很大。对于NOx排放则可以根据NOx产生的过程，采用燃烧优化调整与燃烧后处理技术相结合的方式。SNCR是一种无需催化剂的脱硝方式，由于不需要催化剂，为得到较强的化学反应活性，SNCR技术需在较高的炉膛温度（800-1150℃）下，用氨或尿素等氨基还原剂来选择性地还原烟气中的NOx。

针对循环流化床锅炉的烟气特点，本文阐述以尿素为还原剂的SNCR脱硝技术，使烟气NOx排放浓度降低到100mg/Nm3以下。该脱硝技术投资成本较低、运营费用低、改造方便，脱硝效率高达70%以上，适宜协同应用其他脱硝技术，因而在燃煤电厂，尤其是老厂脱硝改造上取得了广泛的应用。

2 工艺介绍

2.1 工艺原理介绍

SNCR脱硝技术是在高温没有催化剂的条件下，氨基还原剂（如氨水、尿素）喷入炉膛，热解生成NH3与其它副产物，在800-1150℃温度窗口，NH3与烟气中的NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx还原成N2与H2O。尿素作为还原剂主要反应为：

2NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗。NH3的反应最佳温度区为800～1150℃。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低，另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOx还原率降低。

SNCR脱硝反应对温度条件非常敏感，受制于停留时间、NH3/NOx摩尔比（NSR）、混合程度等因素，并对锅炉效率造成一定的影响（通常在0.2-0.5%）。

2.2 工艺性能参数

2.2.1 影响脱硝效果的主要因素

① 温度窗口的影响

在SNCR工艺中，最主要的是炉膛上喷入点的选取，即窗口温度的选择。对于尿素来说理想的温度范围是800-1150℃，温度高，还原剂被氧化成NOx，烟气中的NOx含量不减少反而增加；温度低，反应不充分，造成还原剂流失，对下游设备产生不利的影响甚至造成新的污染。

根据循环流化床锅炉炉内状况和烟道内温度场、烟气流场情况，采用CFD以及CKM模拟相结合技术。

② 停留时间

任何反应都需要时间，所以还原剂必须和NOx在合适的温度区域内有足够停留时间，这样才能保证烟气中的NOx还原率。停留时间指的是反应物在炉膛上部对流区内的存在时间，SNCR的所有步骤必须在这里完成。这些步骤包括：注入的尿素和烟气的混合、水分的蒸发、尿素分解成氨、NH3分解成NH2和一些自由基、NOx的还原反应。加大停留时间有利于质量的输运和化学反应，从而提高了反应率。

③ NH3/NOx 摩尔比的影响

摩尔比的确定是由想得到的还原效率决定的。根据基本的化学反应方程式，还原2mol的NOx需要1mol的尿素或者2mol的氨。在实际中，需要注入比理论更多的还原剂以达到所需要的还原水平。

因为氨的的消耗涉及到运行的费用问题，所以所选用的摩尔比一般为临界值， NH3/NOx摩尔比一般控制在1.0～2.0之间，最大不要超过2.5。

④ 烟气与还原剂的混合情况

两者的充分混合是保证充分反应的又一个技术关键，是保证在适当的NH3/NOx摩尔比下得到较高的NOx还原率的重要环节。为了使还原反应充分进行反应，在尿素混合液喷入后需要立即扩散并与烟气混合，混合的实现是通过喷射系统，信成科技开发的脱硝专用双流体喷射器能够雾化还原剂成合适的液滴尺寸和分布。

2.3 工艺流程介绍

本文SNCR工艺以尿素溶液作为还原剂，在尿素溶液溶解过程中，采用70℃以上工艺除盐水将尿素颗粒溶解成40%～50%尿素溶液经还原剂输送泵送至静态混合器，与稀释水模块送过来的软化水进行定量的混合配比，40%～50%尿素溶液被稀释至10%～20%尿素溶液，通过计量分配装置精确分配到每个喷枪，然后经过喷枪喷入炉膛，实现脱硝反应。

本文SNCR脱硝工程由尿素溶液制备与储存系统、稀释水系统、压缩空气系统、喷射系统、计量分配系统、电气自控系统等组成。

3 脱硝主要设备

3.1 尿素溶液制备与储存系统

袋装尿素颗粒储存在尿素储存间，经过人工破袋后倒入螺旋输送机中，送尿素溶解罐中，并与按比例补充的70℃以上工艺除盐水充分溶解，配制成40%～50%浓度的尿素溶液，溶解罐中的尿素溶液通过循环泵送入尿素溶液储罐中。

设置一台尿素溶解罐和两台尿素溶液储存罐。溶解罐上设置进水电动阀门和温度压力变送器，使进水和混合溶液的温度自动保持在合理的温度范围。尿素溶解罐和储存罐均设置搅拌器，保证尿素颗粒快速均匀溶解，罐和搅拌器材质为不锈钢。

罐体外还配备电加热和保温装置，保证尿素在配制时维持在合适温度，能充分溶解。尿素溶解罐和尿素溶液储存罐之间设置循环泵。

3.2 稀释水系统

稀释水系统设置稀释水泵，材质为不锈钢，入口设置压力调节阀，以保证入口稀释水压力变化而泵的出口压力保持恒定，从而保证喷枪入口的尿素溶液压力，达到要求的喷射效果。

3.3压缩空气系统

压缩空气系统为尿素溶液的雾化提供雾化介质。

3.4还原剂喷射系统

还原剂喷射系统设置喷射泵，喷射泵入口设置过滤器，以防止设备堵塞，出口设置计量回水调节阀、流量计和压力变送器。

尿素溶液混合管道采用不锈钢材质。处在室外的管道，外壁配置电加热和保温层。

3.5计量分配系统

计量分配系统通过尿素侧和稀释水侧的变频泵、流量调节阀和压力调节阀自动调节进入每个锅炉注入区域的尿素溶液浓度和流量，以响应烟气中NOx的浓度、锅炉负荷、燃料量的变化，自动调节进入锅炉喷射区的反应剂流量，对各喷射区各喷射器的还原剂喷射流量进行逐个分配。

3.6喷射器布置

每台锅炉布置固定式脱硝喷枪， 分别布置在左右旋风分离器入口烟道处。SNCR系统长期停运时喷枪需要拔出炉膛， 以避免喷枪受热损坏。喷枪采用不锈钢制造。

喷射出的雾滴颗粒非常细密均匀，确保喷射穿透性。喷雾覆盖均匀，确保还原剂溶液与烟气混合充分均匀。内部混合式雾化，气水压力不超过0.6Mpa，节能显著。流量从1.2L/min到117L/min线性调节，实现不同工况下还原剂喷射量需求。

3.7 电气自控系统

SNCR采用独立的控制系统，采用PLC控制系统，在各部分系统上，设计有控制柜体，面板设有人机界面（MMI）。各部分系统留有接口，可以通过网络在上层控制系统对SNCR系统进行实时控制、指示和趋势线方面与主要控制装置进行通讯联系。

4 工程效果

整套脱硝系统具备更强的稳定性、安全性和设备的抗腐蚀性，喷射系统的布置符合CFD以及CKM模拟试验，适宜的温度窗口选择和双流体式喷枪设计，保证还原反应最佳化，脱硝效率最大化。易于操作的系统，全自动控制，一键操作来执行整个系统，友好的操作界面，制定 PLC通讯和控制设置。

通过采用SNCR脱硝改造， 能够将NOx的排放浓度控制在100mg/Nm3以下，NH3逃逸浓度小于8mg/m3，锅炉负荷60～110%时脱硝效率大于70%。

参考文献

[1]钟秦 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例 化学工业出版社 2002

[2孙克勤 钟秦 火电厂烟气脱硝技术及工程应用 化学工业出版社 2006

[3]段传和 夏怀祥 选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝 中国电力出版社 2012